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人類有望告別插座時代？
歐尚電氣   2017-07-20 10:13:14 作者:歐尚 來源: 文字大小:[大][中][小]
你為家里那一大團“剪不斷，理還亂”的插座、電線而抓狂過嗎？現(xiàn)在，好消息來了！

最近日本科學(xué)家接連發(fā)布微波無線輸電技術(shù)的最新成果，而我國科學(xué)家近年來也不斷在公交車、高鐵、電視等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無線輸電的各項突破。這些意味著告別插座已經(jīng)有了實現(xiàn)的可能。
創(chuàng)紀(jì)錄

微波輸電點亮500米外led燈

說起輸電，你也許馬上會想到粗粗的電線桿和長長的高壓線，或者家里那些“剪不斷，理還亂”的插座和電線。今天，我們的電話、網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)早已實現(xiàn)了從有線到無線的飛躍，為什么無線輸電還相對滯后？能不能不經(jīng)過電線將電能從發(fā)電裝置傳送到接收端？科學(xué)家們在不斷深入研究中，令人欣慰的一些改變在陸續(xù)出現(xiàn)。3月，日本接連兩項試驗的成功，就引發(fā)人們廣泛關(guān)注。

3月11日，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（jaxa）宣布，研究人員利用微波，將1.8千瓦電力以無線方式，精準(zhǔn)地傳輸?shù)搅?5米距離外的一個接收裝置。次日，日本三菱重工也宣布，其科研人員將10千瓦電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中部分電能成功點亮了500米外接收裝置上的led燈，這是迄今為止日本成功實驗中距離最長、電力最大的一次。

三菱重工表示，這一技術(shù)將會被用于太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)（ssps）。該公司計劃在2030年至2040年運用該技術(shù)，將太空的發(fā)電裝置獲得的電能通過微波向地面?zhèn)鬏�。�?jù)估算，如果使用直徑兩三千米的巨大太陽能電池板進行太空發(fā)電，將能達到一臺常用的百萬千瓦裝機容量的核電機組發(fā)電水平。

太空太陽能發(fā)電的設(shè)想并非源于日本。早在上世紀(jì)60年代，美國科研人員就提出了這一構(gòu)想。2007年，麻省理工學(xué)院的一群科學(xué)家用電磁共振無線電能傳輸技術(shù)，隔空點亮了2米多外一只60瓦的燈泡。

不過，最終實現(xiàn)這一愿景，還有許多困難需要克服，比如怎樣將巨大的發(fā)電裝置送到太空以及如何組裝維護等。而最大的困難在于，如何解決無線電波在傳輸中的彌散和衰減問題。日本這兩次實驗中無線傳輸?shù)碾娏�，一個只夠用來啟動一個電熱水壺，另一個將10千瓦的電力傳輸了500米后僅僅能點亮一只功率很小的led燈。“這就說明在傳輸過程中，絕大部分的能量發(fā)散掉了。”中科院電工研究所研究員廖承林說。

除了傳輸效率需要進一步提高外，科學(xué)家們面臨的難題還有如何減少微波傳輸路徑對環(huán)境設(shè)備的干擾、對生物的影響等問題。此外，由于路途遙遠，微波傳輸路徑需要縮小的同時發(fā)電站的輸出功率還必須要非常大，“可能達到兆瓦級”。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員俞凱表示。

重實用

我國在電視汽車高鐵等領(lǐng)域已有諸多突破

在2007年麻省理工學(xué)院那只燈泡被點亮?xí)r，中國科學(xué)家也注意到了無線輸電技術(shù)的發(fā)展前景。而相較于以較遠距離輸電為目標(biāo)的微波輸電技術(shù)，我國更看重商業(yè)化前景更好的近距離無線輸電研究，這能更直接地給用戶帶來便利，技術(shù)商業(yè)化的潛質(zhì)要大得多。事實上，在新能源汽車充電等日常生活領(lǐng)域中，這些技術(shù)已經(jīng)派上了用場。

早在2010年國際消費電子展上，海爾集團就推出了世界上首臺“無尾電視”——電視后面的電源線、信號線、網(wǎng)絡(luò)線等“尾巴”都被割掉了。這是無線電力傳輸技術(shù)首次成功應(yīng)用于電視接收終端。如今，這種技術(shù)在我國的手機、移動電源、冰箱、廚房小家電等生活產(chǎn)品中已廣泛試水。

去年，中興新能源汽車公司在湖北省襄陽市構(gòu)建了中國第一條無線充電公交示范線，全球首臺無線充電社區(qū)巴士也在成都上線。成都公交實際使用數(shù)據(jù)顯示，不到8分鐘，所充電量即可滿足新能源公交汽車一圈8公里的行駛線路，充電整體效率達90%。

楊慶新則對高鐵無線供電情有獨鐘。作為天津工業(yè)大學(xué)工程電磁場與磁技術(shù)研究團隊的負(fù)責(zé)人，去年他領(lǐng)導(dǎo)研制的高速列車無線電能傳輸技術(shù)，被中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會列為10項引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)之一。這種懸掛式發(fā)射線圈技術(shù)，發(fā)射端被固定在鐵路上方。接收端被置于列車頂部，代替了傳統(tǒng)的受電弓滑板和接觸網(wǎng)滑動取電的方式，發(fā)射端與接收端之間允許存在數(shù)十厘米的間隙，不僅極大提高了絕緣強度和受流質(zhì)量，而且從根本上解決了因為磨損、覆冰而斷電的問題，被認(rèn)為有望革新高鐵列車供電模式。
盡管困難重重，但就是這樣一個又一個“一小步”，有可能成為人類未來高效利用電能、太陽能等清潔能源的“一大步”。

想象一下，一座太陽能發(fā)電衛(wèi)星靜止在距離地面3.5萬千米的高空，源源不斷地為地面上的城市供電。這種輸電方式清潔、安全，不受惡劣天氣和時間的影響，也不會發(fā)生傳統(tǒng)核電站的核泄漏事故。這樣美好的前景，推動著各國加大對無線輸電領(lǐng)域的投入力度。

另一個動力來自有線輸電的成本和污染的增長趨勢，近年來各類能源引發(fā)的戰(zhàn)爭及公共危機越來越多�！叭绻臻g太陽能電站的設(shè)想變成現(xiàn)實，就可以解決全球能源危機問題。”該技術(shù)還延伸到許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，如為衛(wèi)星和軌道上的運載工具輸電，或為星際探測飛行器提供動力等。

無線輸電技術(shù)還可以為不方便架設(shè)輸電線的地方提供另一種高效的輸電方式。在高山、森林、海島、沙漠等地方架設(shè)輸電線路不但困難危險，而且日后的線路檢修以及故障修復(fù)等都障礙重重。這些地方的邊防哨所、無線電導(dǎo)航臺、衛(wèi)星監(jiān)控站、天文觀測點等需要生活和工作用電，將電能以無線的形式輸送過去，會方便得多。

100多年前，人類就已經(jīng)開始嘗試

事實上，早在19世紀(jì)上半葉，人類就有了用無線方式輸送電力的想法。最早可以追溯到美國科學(xué)狂人尼古拉·特斯拉。

那時，電磁鐵問世不久，電磁感應(yīng)現(xiàn)象也剛被發(fā)現(xiàn)，特斯拉設(shè)計了一個簡單的無線輸電裝置：把一個線圈連接在電源上，作為發(fā)射器傳輸能量；另一個線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10兆赫茲的頻率振動，另一個線圈連著的燈泡將被點亮。這便是著名的“特斯拉線圈”的由來。

特斯拉的設(shè)想在理論上是可行的，但實際操作中面臨著這樣一個難題：如何提高傳輸效率？因為電磁波在自由空間傳輸能量的過程中會向四面八方散發(fā)，特別是微波，散射在空間里，能量衰竭更快。這成為無數(shù)科學(xué)家在接下來的百余年時間里研究的瓶頸。

直到本世紀(jì)初，美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬林·紹利亞契奇還沒有準(zhǔn)備好做這一難題的“終結(jié)者”，因為他在發(fā)明一項功效卓著的無線輸電系統(tǒng)前，曾經(jīng)一連3個晚上被手機“電池電量不足”的“嘀嘀”聲吵醒，他繼而想到：“為什么墻里的電不能直接傳輸給我的手機呢？”

這便是電磁共振無線輸電技術(shù)的由來。按照此理論，只要讓電磁能發(fā)射器同接收設(shè)備在相同頻率上產(chǎn)生共振，它們之間就可以進行能量互換。

利用這一原理，紹利亞契奇和他的團隊成功地把一盞距發(fā)射器2.13米開外的60瓦電燈點亮，且傳輸效率大幅提高。自此，全世界很多科學(xué)家開始基于這一實驗展開了后續(xù)研究。有專家表示，這種技術(shù)可以實現(xiàn)10米左右距離的室內(nèi)無線輸電。

而對于一些低功率近程的電能傳送來說，電磁感應(yīng)無線輸電技術(shù)無疑更為適合。因為通過電磁感應(yīng)，發(fā)射線圈和接收線圈之間可以利用磁耦合來傳遞電能。當(dāng)然，這種距離要求非常近，約在1厘米以下，可以用相互“貼著”來形容。

此外，如果要實現(xiàn)高功率遠程電力傳送，則只能依靠微波或激光的遠場輻射技術(shù)來進行。因為無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小。日本科學(xué)家們最近所取得的突破，即基于微波的這一特性。